Атмосферное электричество

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Ионизация атмосферы

2. Атмосферное электрическое поле.

1. Ионизация атмосферы.Количество ионов в атмосфере зависит от действия ионизаторов. Такими ионизаторами в тропосфере являются космические лучи и радиоактивные излучения земных пород и самой атмосферы, а в более высоких слоях – главным образом ультрафиолетовое, рентгеновское и другие излучения Солнца.

Сущность процесса ионизации заключается в том, что под действием ионизатора молекуле или атому газа пере­дается энергия, достаточная, чтобы удалить из сферы дей­ствие ядра один из наружных валентных электронов. В ре­зультате ионизации из нейтральной частицы образуются две заряженные; положительная — ион и отрицательная — электрон. Возникший электрон почти мгновенно присоединяется к одному из нейтральных атомов окружающей среды и образует отрицательный ион.

Потенциал ионизации – наименьшая энергия, при которой данная частица X может быть ионизирована, (эВ). Энергия, необходимая для ионизации газов, входящих в состав атмосферы, для разных газов различна.

Первичное космическое излучение состоит в основном из протонов, или ядер водорода (83%), а также а-частиц, или ядер гелия (16%), в небольшой степени — из ядер груп­пы С, М, О (около 1%) и в еще меньшем количестве — из ядер других элементов, вплоть до железа.

Одна-единственная первичная частица с боль­шой энергией способна создать электронно-ядерный ливень .протонов, электронов, нейтронов, позитронов, мезонов и дру­гих видов элементарных частиц. Так возникает вторичное космическое излучение.

Многие из частиц вторичного космического излучения, обладающих большими энергиями, достигают земной по­верхности и проникают в глубь земной коры. По мере размножения энергия отдельных частиц быстро падает, особен­но быстро в веществах с высоким атомным номером.

Расчеты показывают, что ионизирующая способность космических лучей в мил­лионы раз меньше той, которой обладает ультрафиолетовое излучение Солнца. И все же в образовании самых нижних слоев ионосферы, куда солнечное ионизирующее излучение проникает с трудом, космические лучи играют важную роль.

Солнечные лучи обладают самой большой энергией ионизирующего излучения. Кроме тепла и света в спектре солнечного электромагнитного излучения имеются очень энергичное коротковолновое рентгеновское и ультрафиолето­вое излучения. Преобладающая часть этих излучений погло­щается в верхних слоях атмосферы (выше 40 км). Процесс поглощения сопровождается расщеплением атомов воздуха на ионы — носители электрически заряженных частиц.

Корпускулярное излучение Солнца ионизирует атмос­феру в пределах, сравнимых с теми, которые создаются электромагнитным излучением Солнца, и корпускулярное (солнечное излучение, состоящее из материальных частиц — корпускул. Корпускулы представляют собой смесь электронов, протонов, ионизированных атомов различных элементов, входящих в состав раскаленной солнечной атмосферы. В целом излучение Солнца и высокая его температура ионизируют истекающий из Солнца газ, и поэтому каждый его атом несет электрический заряд.

Радиоактивное излучение. Главнейшим ионизатором для нижних слоев атмосферы до высоты 3—4 км над земной по­верхностью является излучение радиоактивных веществ, со­держащихся в земной коре и атмосфере. Выше 4 км дейст­вие радиоактивных ионизаторов практически становится равным нулю. Вскоре после открытия радиоактивных ве­ществ было установлено, что не только почти все породы земной коры, но и все естественные воды, а также атмосфер­ный воздух содержат эти элементы, которые попадают в них из земной коры.

Если бы в атмосфере действовал только процесс иони­зации, происходило бы непрерывное накопление заряженных частиц и концентрация ионов и электронов бесконечно бы возрастала. Но реально этого не наблюдается. Как только образовалось некоторое заметное количество положительных ионов Х⁺ и отрицательных электронов -е, начинается об­ратный (по отношению к ионизации) процесс соединения по­ложительного иона с электроном, приводящий к восстанов­лению нейтральной частицы, «погибшей» в результате ионизации. Такой процесс называется нейтрализацией, или рекомбинацией. Рекомбинация положительного и отрицательного ионов в основном происходит в нижних слоях атмосферы, положительного иона и электрона — в верхних слоях.

Главный максимум ионизации находится во внешней ионосфере на высоте около 300 км. Здесь концентрация свободных элект­ронов (т. е. количество электронов в 1 см³ воздуха) может .достигать нескольких миллионов. Выше и ниже главного максимума ионизация плавно убывает; вниз — быстрее, вверх — медленнее.

Фактически уже на высоте 50 км воздух становится хо­рошим проводником, так что эта высота может рассматри­ваться как нижняя граница ионосферы.

2. Атмосферное электрическое поле.Все воздушное пространство над земной поверхностью .пронизывают электрические токи, .создающие электрическое поле, направленное по вертикали от ионосферы к поверхно­сти Земли, Между нижней границей ионосферы и земной поверхностью имеется разность потенциалов около 4-10⁵ В, причем ионосфера заряжена положительно, а земная поверхность – отрицательно. Полный отрицательный заряд Земли (как и положительный заряд ионосферы) составляет примерно 5,7-10⁵ Кл. Упомянутая разность потенциалов как раз и обусловливает положительный ток, текущий через атмосферу от нижней границы ионосферы к Земле.

Электрическое поле в атмосфере, как всякое электриче­ское поле, можно охарактеризовать в любой его точке зна­чением напряженности Е, обусловленной всеми электриче­скими зарядами, которые имеются как на поверхности Зем­ли, так и в атмосфере. Наблюдения над электрическим полем вблизи земной поверхности показывают чрезвычайно большую его изменчивость в зависимости от различного рода метеорологических факторов — влажности и прозрачно­сти воздуха, скорости ветра, осадков, облачности и т. п. В очень широких пределах (от нескольких десятков до сотен тысяч вольт на метр обоих знаков) напряженность изменяется при грозах, ливнях, метелях.

При ненарушенных атмосферных условиях, т. е. при ясной погоде как над сушей, так и над океанами, атмосфера заряжена .положительно по отношению к земной поверхности, Наибольшее значение напряженность поля принимает вблизи земной поверхности; в условиях чистой атмосферы она равна 130 В/м. С высотой .напряженность Е убывает по экспоненциальному закону.

Быстрое убывание с высотой напряженности электриче­ского поля объясняется тем, что в нижних слоях атмосферы имеются объемные положительные заряды, которые и уменьшают напряженность поля, обусловленную зарядом Зем­ли. Объемные заряды образуются в результате неодинакового пе­ремещения под действием электрического поля ионов раз­личных знаков, отличающихся своими характеристиками. Объемные заряды также могут возникать при различного рода процессах электризации, когда атмосфера наполняет­ся заряженными частицами преимущественно одного знака (пыль, дым, обломки кристаллов и т. п.). Положительные объемные заряды, сосредоточенные преимущественно в нижних слоях атмосферы.

От ионосферы к Земле все время течет электрический ток. Но наряду с токами, непрерывно разряжающими атмосферу между нижней границей ионосферы и земной поверхностью, существуют встречные токи, которые непрерывно заряжают ее. Токи разрядки существуют в тех областях Земли, где в данный момент стоит хорошая погода, а токи зарядки возникают в областях нарушенной погоды (грозы, осадки).

Электрические токи в атмосфере обусловлены перено­сом содержащихся в воздухе электрических зарядов под действием электрических и механических сил. В нижних слоях атмосферы (тропосфере) выделяют пять форм этих токов:

1) токи проводимости, создаваемые движением ионов под действием сил нормального электрического поля;

2) токи конвективные, вызванные переносом объемных зарядов воздушными течениями;

3) токи смещения, возникающие при достаточно замет­ных по величине быстрых изменениях электрического поля;

4) токи осадков, представляющие собой поток электри­чества при падении заряженных капель дождя, снега, гра­да и т. п.;

5) токи грозовых разрядов и тихих разрядов с острых .предметов.